Zemax软件在光学设计

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1、Zemax在光学设计中的应用在光学设计中的应用曾曾 维维 友友E-mail：zengweiyou 上课期间将严格考勤，早上上课期间将严格考勤，早上8：10，下午，下午14：10 迟到三次及以上或缺勤一次者，成绩为不及格迟到三次及以上或缺勤一次者，成绩为不及格 缺勤二次及以上者，成绩以零分计缺勤二次及以上者，成绩以零分计 上课期间浏览网页等无关内容三次及以上者，成上课期间浏览网页等无关内容三次及以上者，成绩为不及格绩为不及格 损坏物品者成绩为不及格损坏物品者成绩为不及格 课程设计报告在课设结束后的规定时间内提交，课程设计报告在课设结束后的规定时间内提交，过期则不接收所交报告，成绩相应地记为零分过

2、期则不接收所交报告，成绩相应地记为零分主要内容简介：光学设计软件简介 完整光学设计结果应有的数据内容 光学系统建立示例 基本像差分析及像质评价 望远物镜的设计 目镜设计 坐标断点、棱镜设计 温度分析、多重结构、无热设计 红外系统的设计 样板测试、公差分析主要参考书目：主要参考书目：现代光学设计方法现代光学设计方法袁旭沧，科学出版社袁旭沧，科学出版社 光学设计光学设计袁旭沧，科学出版社袁旭沧，科学出版社 实用光学技术手册实用光学技术手册王之江，机械工业出版社王之江，机械工业出版社 ZEMAX中文使用手册中文使用手册光研科学有限公司光研科学有限公司一一.光学设计软件简介光学设计软件简介 成像光学设

3、计：Code V、OSLO、Zemax、SIGMA、LensView、SOD88、CIOES(长光)照明光学设计：ASAP、TracePro、LightTool、ProSource、ODIS(浙大)光学薄膜设计：TFCalc 激光腔体设计：LASCAD 光电器件设计：OPTISYS_DESIGN、BPM_CAD、OPTIAMP_DESIGN、FIBER_CAD、HS_DESIGN、FDTD_CAD、WDM_Phasar、IFO_GRATINGS Code V 美国Optical Research Associates推出的大型光学设计软件 适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于照相系统、光谱

4、仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等 Code V为用户提供了各种可能用到的像质分析手段，能够分析优化各种非对称非常规复 杂光学系统 Code V自带的专利库包含了多种镜头，可供用户在初始设计时选择 可以与多种机械CAD软件交换数据，可以输出多种标准加工图纸 有外部程序接口，用户可以用它根据需要对 软件进行扩充和修改 成像领域中功能最强大，价格最高OSLO 用于照相机、通讯系统、军事空间应用、科学仪器中的光学系统设计，在确定光学系统中光学元件的最佳大小及外形时具有突出优势 适用于序列及非序列系统 优点是以设计者为导向的设计风格，用户界面直观；功能强大精

5、度高 灵活性强，其提供的CCL语言相对于其它光学软件更灵活ZEMAX Zemax是美国zemax公司设计的专用光学设计软件包 可实现序列和非序列分析 用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型 分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP,*.JPG等，也可存成文字文件*.txt 优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用 公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定

6、义 报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件 功能不及Code V、OSLO，但其简单易学，价格便宜，在国内用得比较广泛SOD88 北理工研究的光学设计软件，适用于共轴光学系统，系统可以是折、反或折反系统，系统中的面型可以是球面也可为非球面 主要功能：几何像差计算和图形输出；像差自动校正；公差计算；变焦系统设计等 总体上来说其功能和迭代收敛速度不及前述几种软件，但其价格便宜，还是值得推广LensView 光学设计数据库，囊括超过18,000个在美国和日本专利局申请有案的多样化的光学设计实例 能显示每一实例的空间位置，拥有设计者完整的信息、摘要等多种功能 能产生各式各样的像差图，

7、做透镜的快速诊断，绘出这个设计的剖面图 用该软件为设计者寻找恰当的初始结构，便于快速的设计出符合技术指标的系统 光学系统结构图 主要参数：焦距、相对孔径、视场、倍率、物距、像距等 光学系统结构参数 成像质量：初级像差、轴上点像差、轴外点像差 像差曲线：球差曲线、点图、传函图等等二.完整光学设计结果应有的数据内容三.光学系统建立举例3.1 设计要求 拟设计光学系统具有：0150,220,5Dfmmf 视场角物距为无限远3.2 分析：设计要求给出了系统焦距(50mm)，视场角，相对孔径，无其它特殊要求 初始结构确定：(1)用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面重合，因此系统需要四个面(物面、透镜前后

8、面、像面)。(2)设透镜为双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由：算出。代入设计要求，选透镜材料为BK7()，则半径为51.68，取透镜厚度为6mm，则初始结构在ZEMAX中的数据为：2(1)FRnf 1.5168,64.1673ddn其它光学特性参数的输入方法1.General 输入相对孔径General功能可以由“SystemGeneral”选取，也可以由桌面上“Gen”快捷键来打开，打开后的General对话框如下图所示。General对话框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等选项。相对孔径的定义在Aperture中完成。下面对一些常用选项作一些

9、说明。Aperture中：Aperture type用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类有：（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径（2）Image Space F/#（像方F数）物体无论位于无限远，还是有限远，都可以用像方F数定义相对孔径，定义为：f/#=EFL/EPD=EFL/(2y)（3）Paraxial Working F/#（近轴工作数）定义为f/#=1/(2tanU)FUUy只有当物在无限远时，像方F数才与近轴F数相等另外，在系统中还有一个Working F/#(工作数)，定义为f/#=1/(2sinU

10、)，从定义可看出三个“数”之间的差别。（4）Object Space NA（物方数值孔径）当物位于有限远时，可用之定义相对孔径，其含义为NA=nSin()，n为物方介质折射率，为高斯边缘光线孔径角。（5）Float by stop size（由光阑大小决定）这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小来决定，此时LDE中STOP的半宽右边显示“U”，表示Stop Surface的孔径被固定。（6）Object Cone Angle（物方锥角）当物体位于有限远时，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔，其值为物空间边缘光线的半角，单位度，可大于9

11、0度UGeneral对话框中其他功能(1)Apodization Type(定义光瞳上光强分布)选项：Uniform表示光瞳被均匀照明；Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型，即：；Cosin cubed表示光瞳上光分布为余弦型(2)Glass Catalogs(玻璃库)ZEMAX提供了德国Schott、日本Hoya、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射材料等内建玻璃库。2.Fields对话框中定义视场通过SystemFields可以打开视场定义对话框，该对话框中首先给出了视场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接着给

12、出了最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同时选用时，适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在Y-Field栏中输入数据，定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权重。对于大视场光学系统，要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。3.Wavelengths定义镜头工作波长 2GAe通过SystemWavelengths打开波长对话框，可以定义最多24个波长，波长单位为微米。典型波长的数据已经存储在对话框中，可以用Select选用。其中“Primary”定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。4.本例中的光学特性数据输入方法（1）定义像方工作

13、数(Image Space F/#)为5，选择System General Aperture Image Space F/#，在Aper Value中输入5；（2）定义半视场0、7.07、10，选择System Fields 在对话框中，选用1、2、3视场序号，输入Y-Field分别为0、7.07、10，不定义权重与渐晕因子等。对场点选择的原则：（3）定义波长。（4）定义物距。参数定义完后有效焦距并不等于50mm，这主要是由于透镜的厚度在ZEMAX中被考虑进去了，可以通过优化设计保证焦距达到要求。另外，焦点位置还没有确定，可用求解的方法确定，右击面2的Thickness Marginal Ra

14、y Height OK1210,.,111nfullfieldfullfieldfullfieldnnn在焦点位置，边缘光线的高度为0；对于近轴区域，光瞳高度对焦点位无影响，因此取0。取其它值时表示实际光线。四.基本像差分析及像质评价 前面介绍了在ZEMAX中如何输入一个光学系统，但这只是一个初始结构，其性能如何，要通过ZEMAX的像质评价功能对其进行评价。像质评价功能贯穿于光学设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取主要的像质评价指标，说明这些指标的具体含义。Fans光学中的Fans即光扇图，是与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应的。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午

15、面内和弧矢面内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。Ray Aberration描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为Fields对话框中定义的每一个视场绘 制出像面(XOY平面)上X分量像差(X aberration)和Y分量像差(Y aberration)随光线孔径高之间的变化曲线。通常X aberration用EX表示，Y aberration用EY表示，光线孔径高用PX、PY(归一化值)表示。其作图原理见下图。由Ray aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，

16、还可以看出其他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径(1.0)处的Y aberration之和，能够反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与EY轴的交点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化，等等。Spot Diagrams（几何点列图）Ray aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上还给出了以虚拟的“质心”、“平均”为

17、原点的量化点列图。使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标，即RMS Radius与GEO Radius，前者表示点列图中大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。仅有离焦像差时的点列图及光扇图仅有球差像差时的点列图及光扇图彗差像散 MTFMTF是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调制传递函数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为lp/mm，纵轴表示对这些线对分辨的调制度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。对于目视系统：MTF

18、0.05；对于摄录系统：MTF0.15用MTF评价像质时要注意：（1）对每一种镜头系统，要根据物面物征、探测器象素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；（2）查看MTF数值时，要看多色MTF在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（3）MTF值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，所以要检查物像相似程度，还要看畸变曲线。五.望远物镜的设计望远物镜的光学特性：1、双胶合望远物镜的设计 设计一望远镜物镜，焦距 f=250mm，通光孔径 D=40mm，视场角2=6，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚为150mm。要求：0.1,

19、0.001,0.05mmFCLmm SCL 这里 分别指的是轴向球差、彗差、0.707h的轴向色差，这些在ZEMAX中没有专门的像差控制操作，需要自已设置。,mmFCLSCL(1)初始结构的选择由于该设计的相对孔径较小，视场不大，因此可以采用简单的双胶合物镜，选择的初始结构如下：rd玻璃玻璃153.161.5163，64.1-112.9341.6475，33.9-361.6850/1501.5163，64.1/（2）对初始结构分析：焦距：251.085，球差：-0.0755mm正弦差，ZEMAX中没有直接数据，可通过其它数据估计38.373 1013.1590.00064msSCKy 轴向色差

20、：(0)(1)(0.7071)0.12630.09820.02810.16340.020150.183550.12660.019810.1068FChFChFChLLL0.7071FCLh一般地,指的轴向色差（3）用实际玻璃替换玻璃参数：BK7：1.5168，64.1673SF2：1.647689，33.8482曲率半径缩放：11nRRn缩放R1、R3，R2保持不变，因两种实际玻璃的折射率差，阿贝常数差与原来相近重新检查像差：焦距、球差、正弦差、轴向色差（4）优化设计球差控制LTtanLT T由TRAY得到；tan由RAGC(Py=1.0)ACOSTANG得到；L由DIVI比值得到TRAY：Y

21、面内（子午面）的垂轴几何像差；RAGC：全局光线z方向余弦值ACOS：反余弦值，控制参数FLAG=1单位为度，FLAG=0为弧度TANG：正切值正弦差控制sKysK由垂轴几何像差TRAY（Hy=1.0,Px=1.0）得到；y由PIMH得到；sKSCy 得到PIMH:指定波长在近轴像平面上的近轴像高指定波长在近轴像平面上的近轴像高 控制轴向色差TRAY（wav=1,Py=0.7071);TRAY(wav=3,Py=0.7071);DIVI TRAY(wav=1,Py=0.7071)/tan(wav=1);DIVI TRAY(wav=3,Py=0.7071)/tan(wav=3);DIFF;DIV

22、I：两个操作数结果的商；：两个操作数结果的商；DIFF：两个操作数结果的差；：两个操作数结果的差；PROD：两个操作数之积；：两个操作数之积；CONS：定义一个常数：定义一个常数评价函数是光学系统如何与指定的设计目标相符的数字代表。评价函数为0，表示当前光学系统完全满足设计目标要求，评价函数越小，表示越接近。评价函数可以定义为设计目标像差与当前系统像差值之差的平方和，结合权因子构成。定义式可写为：其中Vi为第i种操作符的实际值；Ti为第i种操作符的目标值；Wi为第i种操作符的权因子。(Vj-Tj)2为拉格朗日因子,通常对应透镜的边界条件ijjiiiWTVTVWMF222)()(双胶合透镜组的自

23、变量只有三个球面半径，厚度通常不作为自变量 优化时要求被控制的像差数必须小于或等于自变量数 四种像差（焦距、色差、正弦差、球差）不能同时校正 先校正焦距、色差、正弦差，然后通过更换玻璃较正球差第一次优化：像差参数目标值权重EFFL2501-0.00110.051mSCFCL变量：三个球面半径第二次优化：像差控制中加入球差，变量增加玻璃用Hammer工具优化(5)检查像差，像差公差数据像差公差：2244 0.000580.3625201250mmLn u0.0025mSC20.09063FCmLn u2、大相对孔径望远物镜的设计 设计一望远镜物镜，焦距 f=120mm，通光孔径 D=50mm，相

24、对孔径为D/f=1/2.4，视场角2=4，入瞳与物镜重合。高级像差：高级像差：0.7071,01,0()(1,1)(1,0)()(1,1)(1,0)(1)0.5(2)(3)(4)snhyhyT yThyhyS yShyhyLLLLLLLLL孔径高级球差-轴上点的剩余球差 子午视场高级球差弧矢视场高级球差孔径高级正0.707110.5snhhSCSCSC弦差-剩余正弦差 (0.7071,1)(1,1)(1,0.7071)(1,1)(0.7071)(1)(5)(6)(7)0.5(8)TsnhThyThyTsnyThyThytsntytyKKKKKKxxx子午孔径高级彗差-剩余孔径彗差 子午视场高级

25、彗差-剩余视场彗差 高级子午场曲-剩余子午场曲 高级弧矢场曲(0.7071)(1)0.70711 0.5(9)ssnsysyzsnzyz yxxxyyy剩余弧矢场曲高级畸变剩余畸变(1)(0)0.70711(10)(11)FCFChFChFCsnFCyFC yLLlyyy 色球差 色畸变分析：视场角2w=4度，不大，但相对孔径1/2.4，双胶合不能满足要求，选用双胶合加单透镜结构选择初始结构如下：rd玻璃82.25.51.5163，64.1-57.8131.6475，33.9-47422.871.453.51.5163，64.1参数：89.9413.2220zfmmDfl 设计步骤：（1）将结

26、构参数缩放到f=120mmTools Miscellaneous Make Focus调整入瞳直径：D=50mm调整视场适当加大玻璃厚度（因孔径加大）将玻璃参数换成实际玻璃，对半径进行缩放查看像差119.20.211-0.00087-0.14-0.259-0.121-0.07030.000270.178f mLmSCFCLtmxsmxsnLsnSCFCL(2)第一阶段像差校正：,mmFCfLSCL变量：5个曲率半径边界条件面号1234350.52.5min()dmm控制符：MNEG123MNEG452.5第一个正透镜的边缘厚度较小，将其厚度作为变量优化，将厚度圈整后再优化一次像差结果：1200

27、00-0.255-0.121-0.0870.000270.212f mLmSCFCLtmxsmxsnLsnSCFCL球差的公差：24 0.000580.05421 4.8mm对结果的判断：0.087 0.212 ,0.00027 ,snFCsnLLSC 比公差大,需校正较大 需校正较小 无需校正(3)第二阶段像差校正（主要校正高级像差）方法：使用玻璃替换，将需校正的高级像差加入技巧：对高级像差采用公差方法控制，用Hammer工具设计总结：大孔径光学系统设计的难点是高级像差的校正，结构复杂必须在校正初级像差的基础上校正高级像差高级像差很校正到零，同时，在一定的相对孔径和视场角下，焦距增加时剩余像

28、差会按比例增大，所以焦距越长，所用的相对孔径和视场角要减小。玻璃材料作为自变量是校正高级像差的重要手段，但要尽量选用常用的玻璃六.目镜设计目镜的光学特性：（1）焦距短望远镜：如目镜焦距大，则物镜焦距很快增加，为了减小体积，尽可能减小目镜的焦距。另一方面，目镜要求有一定的出瞳距离，这又要求目镜的焦距不能太小。显微镜：一般在10倍左右，所以 为25mm（2）相对孔径比较小（D/f）人眼瞳孔2-4mm，望远镜出瞳4mm，显微镜1-2mm目镜焦距15-30mm，所以相对孔径小于1/5 1ff 目物250,eef 目f 目（3）视场大望远镜：无论增加还是增大物方视场，都要增加显微镜：要增加物镜的线视场必

29、须增加目镜物方焦面的线视场，在目镜焦距一定的条件下，要增加目镜的视场角视场通常数量tantan 2402602100 一般:广角:特广角:这就使远方充满入瞳的光线在目镜有较大的透射高，即成像光束远离透镜组，因此目镜的透镜直径和它的焦距比较起来相当大，使像差校正困难（4）入瞳与出瞳远离透镜组目镜的入瞳位于前方的物镜上，出瞳位于后方一定距离上目镜像差的校正：目镜像差校正以轴外像差为主，主要是校正影响成像清晰的几何像差：彗差、像散、垂轴色差，场曲一般不校正 初级彗差和光束孔径的平方成比例，目镜出瞳直径小，所以彗差不会太大，在三种像差中处于次要位置 目镜设计对F光和C光消色差，对D光或e光校单色像差

30、目镜设计通常按反向光路进行。如果物镜按正向光路设计，则系统的组合像差为：轴向像差同号叠加，异号相消；垂轴像差同号相消，异号叠加。目镜的主要型式：1、惠更斯由两平凸透镜组成，凸面均朝向物方，第一块为聚光镜(或称场镜)，二块为接眼镜。目镜的物方焦点位于场镜的后方，利用它仅能观察物镜所成的虚象，因此不能安装分划板。由于光学结构简单，广泛应用于显微镜目镜。2、冉斯登目镜也是由两平凸透镜组成，两凸面彼此相对，中间有一空气间隔d相隔着，前焦面是实象面，允许安装分划板，广泛应用于大地测量仪器的望远镜中，也用于测量显微镜。3、凯涅尔目镜是在冉斯登目镜基础上改进而成。它是冉斯登目镜的更完善形式，场镜为双凸透镜，

31、接目镜为胶合透镜。故轴上的色差和球差较好。目镜的场镜与接目镜的距离d同冉斯登目镜相比有所缩短，因此它的匹兹伐和减少，而相对出射光瞳距离增大，达到1/2。目镜的视场为45 50度4、对称目镜由一对相同的双胶合物镜组成，彼此间相隔很近，它的特点是：相对出射瞳孔距离较大3/4。目镜的两组透镜由于相隔很近，因此匹兹伐和小；又由于两组胶合透镜分别消色差，故色差不大。目镜中的胶合面曲率半径较小，产生较大的高级象差，因此视场不可能大，一般只能达到4042度，在常用的对称目镜中，有的光学结构并不对称，为的是有利于消象差。5、无畸变目镜目镜系由三胶合透镜与一块以平面向着眼睛的平凸透镜组成。由于二透镜组很靠近，匹

32、兹伐和较小，相对出射光瞳距离较大，3/4。它的各种象差能够较好地校正，特别是校正了畸变，因此称为无畸变目镜。这种目镜适用于测量仪器，它的视场为50度。6、艾尔弗目镜在对称式目镜当中多了一个单透镜，其目的是减少高级象差。它是广角目镜中一种很重要的型式，畸变在10左右，多年来一直用于Zeiss双筒望远镜上，它的视场达70度，相对出射光瞳距离较大，0.7-0.97、长出射光瞳距离目镜由一组三胶合透镜和一块负透镜，中间加一块弯月透镜组成。由于它采取与摄远物镜相似的光学结构，因此相对出瞳距离很大，达到1.37，但是目镜的视场不大，一般为40度。8、广角目镜由一组双胶透镜、两块平凸透镜和一块凹透镜组成，它

33、的视场达到90度，相对出射光瞳距离 2/3。这种目镜的双胶透镜为基本组元，后面三块透镜为辅助组元。双胶透镜能够在一定的入射光瞳距离(反向光路下)校正象散，两块平凸透镜用来减小主光线在双胶透镜上的偏向角，平凹透镜用来校正畸变，至于放大率色差，可以选择透镜的玻璃材料得到校正。对称式目镜设计设计要求：4倍望远镜目镜，f=25mm，2w=40度，出瞳直径D=4mm，出瞳距离 20mm，望远系统的入瞳与物镜重合，不考虑目镜结构和物镜之间的像差补偿。zml按反向光路设计，设计要求为：f=25mm，2w=40度，入瞳直径D=4mm，入瞳距离 20mm，出瞳距离zl125zmlffffmm 目目目物选择初始结

34、构如下：Rd玻璃100021.6725，32.232.281.5163，64.1-21.30.521.381.5163，64.1-32.221.6725，32.2-1000125-125STO最后两面为虚拟面，其对系统的光学特性和像差无影响。加入第一个虚拟面的作用是保证出瞳距离，利于像差校正；第二个虚拟面的作用是把系统的最后一面由光阑面退回到实际像面，这样像差计算中得出的像距、出瞳距、顶焦距等参数都和不加入这两个虚拟面的结果一致，免去换算的麻烦。视场选择：0、11.5、16.3、20 将玻璃参数换成实际玻璃：SF5、BK7 自变量与像差校正自变量有三个，只能校正三种像差，我们选择校正焦距、像散

35、和垂轴色差，而彗差由于孔径较小，其值不会太大。对于像散的校正方案：选择 而不直接用0tx 0tsx（a）0 tststspxxxxxx则（b）02 3 0tsptxxxx 如使则结果：25fmm 1h-0.122-0.0012-0.04490-0.894-0.0089-0.66800.7071h-0.061-0.00085-0.0453-0.344-0.503-0.0045-0.379-0.0159LSCFCLtxsxTKzyFCy出瞳距24.25mm满足大于20的要求凯涅耳目镜设计凯涅耳目镜设计设计一个6倍望远镜的目镜，望远镜的入瞳与物镜重合，目镜的焦距f=20mm，出瞳直径D=4mm，出瞳

36、距离 ，像方视场角 。设计目镜时不考虑和物镜的像差补尝。10zlmm 245 设计过程：按反向光路进行设计，相应的光学特性参数要求为：20 245 4 10 3.5 6 203.5123.5zFzmfmmDmmlmmlmmlmm 焦距 视场角入瞳直径入瞳距离像方焦截距出瞳距Rd玻璃481.51.755，27.513.364.51.5891，61.2-16.1416214.51.5163，64.1可通过虚拟面定义入瞳或出瞳位置自变量：五个曲率半径、一个透镜间隔像差控制：0 0 020 3.5 123.5tFCTFzmxyKfll像差公差：2244 0.000580.23212 20mmLn u2

37、0.058FCmLn u2220.8 0.4100021000tstsffxxx 目目对彗差和垂轴色差按角像差计算：23438cos8 10yf对质量要求高的望远镜，彗差和垂轴色差对应的角像差，两者绝对值之和应小于5 自建评价函数与默认评价函数的比较 例：自由空间光通信中光学天线的设计说明：自由空间光通信是一种定向的点对点通信，其中光学天线相当于一物镜系统，对于接收端光学天线，其光学特点为：入瞳直径大、具有一定的视场、相对孔径大、工作波长通常为近红外，要求结构尽量简单以增加透过率。像质评价时应尽量减少弥散团圆，光学分辨率与光电探测器分辨率要匹配；像差校正时，要考虑校正球差、彗差、场曲、像散，还

38、要校正色差。1.设计要求 设计一接收用光学天线，满足：焦距 f=60mm，D/f=1/1.2，视场角2w=0.1，激光波长：0.85um，激光波长漂移：0.82-0.88um。2.光学特性特点与像差校正要求根据设计要求，该天线属于一大相对孔径光学系统，视场与后续的光纤直径相当，属小视场光学系统，可以采用望远物镜或照相物镜形式，工作波长为近红外，波长带宽比较小，为保证足够透过率，天线片数要少，玻璃可选无色光学玻璃材料。像差校正主要集中在轴上点的单色像差及高级像差，色差估计不大，像质评价可以采用弥散圆与MTF指标。3.初始结构的选择此处我们选的初始结构参数如下：rd玻璃牌号玻璃牌号49.249.5

39、ZK10323.960.428.728.7ZK1074.068.2QK1-184.196.3ZF618.296.338.436.3ZF1-185.89 此例的主要光学特性为：f=59.8，D/f=1/1.23，物位于无限远。以下是输入参数的具体操作过程：（1）在透镜数据编辑器中输入上表中的半径、厚度、玻璃材料数据，孔径光阑放在第1个光学面上，第8面到Image的距离可以取为近轴像距，即用Marginal Ray Height求解，Height和Pupil Zone均为零，表示近轴。（2）设置孔径，点Gen图标，Aperture Type选Entrance Pupil Diameter，Aper

40、ture Value为48。（3）设置视场：点Fie图标，在视场输入对话框中，选择Angle，在Y-Field框中加入两个视场 0 和 0.05，权重均设为1。（4）设置波长：点Wav图标，输入三个波长0.82、0.85、0.88，同时选择主波长（Primary）为0.85，权重均设为1。到这一步，我们的初始结构就建立完成了。其结构参数如下图：初始结构点列图的大小在177um，光学传函（MTF）也很差，需要进行优化，改善像质。4.优化设计该结构形式可以用做变量的数据有：8个曲率半径，6个空气间隔，必要时还可以将玻璃作为变量。要校正的像差有6个，即球差、轴向色差、正弦差、高级球差、色球差、高级彗

41、差，同时需控制焦距。由于其可用于变量的参数个数比要校正的像差个数多，因此该系统具有很好的校正像差的能力。先只用先只用8个曲率半径作为变量个曲率半径作为变量。（1）使用ZEMAX的缺省评价函数进行优化在Editors Merit Function打开评价函数编辑器，选用ToolsDefault Merit Function Spot Radius Ring=6，再在第一行前插入5行，第一行输入EFFL返回焦距值，第二、三行输入OPLT、OPGT控制焦距范围；第四行输入TTHI返回系统总长，第五行输入OPLT控制系统总长优化后得到的点列图与MTF图，像质已基本符合要求，RMS Radius在7um

42、，MTF在50lp/mm处达45%（2）自建独立几何像差评价函数优化如前所述，要校正的像差有6个：球差、轴向色差、正弦差、高级球差、色球差、高级彗差，符号如下：,mFCmsnFCsnLLSCLLSC高级球差的定义：高级彗差的定义：色球差的定义：0.707110.70711(1)(0)0.50.5snhhsnhhFCFChFChLLLSCSCSCLLl 评价函数如下：优化结果：点图大小在10um，MTF接近30%。两种设计思想的对比：左图为默认评价函数的球差曲线，可以看出1.0h的球差不为零，0.707h的球差接近零，表示优先平衡小孔径的像差；右图为自建评价函数的结果，1.0h的球差接近零，0.

43、707h的球差也接近零，反映了初级球差与高级球差同时较正的思想。但就本例而言，平衡小孔径像差得到的结果好些，说明小孔径像差比边缘像差对像质的影响大。例：35mm照相物镜的要求：EFL=75mm，F/3，决定合适的视场角，波长F,d,C内部光阑，初始结构玻璃用SK4和F2，玻璃最小边缘/中心厚度：3mm，玻璃最大中心厚度：15mm，空气间隙最小边缘/中心厚：0.5mm，最大空气间隙：100mm。要求：边缘视场MTF在30lp/mm达50%，在50lp/mm达20%。设计时我们以SamplesShort coursesc_dblgauss1作为初始结构。在这个结构中，系统的入瞳已经满足要求，EPD

44、=EFFL/F#=75mm/3=25mm，但其视场与波长与我们的要求不同，需要设定视场：35mm相机的胶片是一个矩形，长宽为36mmx24mm，对角线长43.2mm,设计时为了保证边缘的像质，像高取得略大一些，如21.7mm，我们用近轴像高定义视场，选四个场点：0、12.6、17.8、21.7，如下图波长选用F,d,C此时初始结构就定好了，但其像质很差，我们需要从这个结构出发设计符合要求的结果。虽然最终结果是以MTF来评价的，但我们的优化可以从默认优化函数开始。构建Merit Function(评价函数)，Editors Merit Function，然后选ToolsDefault Merit

45、 Function，设置如下：优化设计过程：RingsArms 点击OK，得到的评价函数为：设置变量：将面1-5，7-10的Radius，以及1-11的Thickness设为变量。右击然后选Variable或用快捷键Ctrl+Z，结果如图：开始优化：ToolsOptimizationOptimization或工具栏中的Opt按钮一段时间后其Ray aberration及Spot diagrams如下图，像差仍然存在，而且的MTF没在达到要求，这时要换另一种优化方式优化操作的第二步：波前优化，设置如图 用波前差作为评价标准的评价函数为：优化后可以发现波前像差下降了2倍此时其MTF的性能如何呢？打

46、开一个几何MTF（因为其点列图还没达到衍射极限，衍射MTF的误差较大），AnalysisMTFGeometric MTF，然后改变其设置，选Max Frequency=50，Field：4其平均响应在30lp/mm约为28%，在50lp/mm约为17%，不符设计要求，还要用MTF进行优化在MTF图中，T表示子午面，S表示弧矢面设置的MTF优化评价函数，其中GMTA为“平均几何MTF”操作数，OPGT为“大于”操作数优化后MTF可以达到要求七七.坐标断点、棱镜的设计坐标断点、棱镜的设计 有时我们设计的系统要求表面倾斜或偏心，这时我们就需要用到坐标断点的概念来实现，比如我们要设计如下的棱镜转折系统

47、。设计过程：假定入瞳大小为25mm，位于第一面上，视场及波长用默认值。输入透镜的参数：曲率半径100，-100；面1厚4mm，面2厚30；玻璃BK7插入面3，该面为棱镜的第一面，为平面，曲率半径为INF；厚12.5mm；BK7；由于形状为方形还需对其进行设置。在面3的面型(Standard)上右击，选Aperture Aperture Type Rectangular Aperture X-Half Width/Y-Half Width 12.5将面3的通光口径类型设为矩形棱镜的后表面倾斜了45度，为反射面，因此需要加入坐标断点。坐标断点面只对它后面的各面产生作用，为了使棱镜的后表面倾斜，坐标

48、断点面应加在其前，为第四面。右击面4的面型，选TypeSurface TypeCoordinate Break坐标断点面的厚为0，因为它作用于棱镜的后表面，与棱镜后表面重合。在面4的Tilt about X输入-45，表明倾斜45度坐标断点面后的面5为棱镜后表面，半径INF；厚度0；玻璃MIRROR；通光口径类型与面3类似，只是Y-Half Width设为17.7为了使光线经过面5后发生90度的转折，需要再加入一个坐标断点面，序号为6，设置与面4的设置类似，只是厚度设为-12.5(到棱镜下表面的距离)面7为棱镜下表面，通光口径与面3相同。整个设置如下图：注意：坐标断点面通常是成对出现，且其后的

49、厚度及曲率的符号会改变，通常的规则是奇数对坐标断点后的符号改变，偶数对后的符号不变(相对于没有坐标断点时情形)八八.温度分析、多重结构、无热设计温度分析、多重结构、无热设计温度及压力的变化会引起玻璃的折射率、曲率半径、厚度的变化，这些参数的变化将引起成像质量的波动，因此需要对设计好的结构进行温度和压力分析，分析中用到的方法是多重结构，设计不受温度影响的结构就是无热设计下面以SamplesShort Coursesc_temp1为例说明热分析过程首先查看一下BK7玻璃的折射率数据(Analysis Glass and Gradient Index Dispersion Diagram Text,

50、选BK7玻璃)标态下（20，1个大气压）BK7在波长0.486um的折射率为1.5223859，注意sc_temp1的EFL为100，且有一个为求解近轴焦点位置的面4先来看看在真空中透镜有什么变化，选SystemGeneralEnvironment将“Use Temperature,Pressure”选中，注意其默认值是20,1，此时折射率、后焦点、有效焦距都没有变化然后将ATM改为0，此时后焦点位置变了，而且EFL下降了约0.1%。这就说明了压力对透镜的影响。再让我们看看温度变化的情况，先将压力设为1个大气压。然后用MCE定义两种结构，每种结构对应一个温度。有两种方法实现：方法1：增加第二种

51、结构(Editors Muti-Configuration Edit Insert Config)增加七个操作数(TEMP、3个CRVT(1,2,3)、3个THIC(1,2,3)设置TEMP 1为20，TEMP 2为100对结构2的2-7操作数增加“Thermal Pick Up”方法2（用Make Thermal）：在MCE Tools Make Single Config，先将方法1设置的结构清除然后选Tools Auto Thermal，将Number of thermal configuration设为1；Min Temp：100；Max Temp：100假设透镜支架为铝材，其热膨胀系

52、数为23.5010-6，在LDE中的面3的TCE中加入23.5用Ctrl+A在两种之间转换，查看参数变化情况。EFL、Radii、Thickness都有变化。进行热性能分析，在分析之前要固定像面，因此将面4删除。用Ctrl+A查看两种结构的点图与光程图，可以发现：点图的RMS在3与11之间变化而OPD在0.5、2波长之间变化无热设计方法：（1）重新优化透镜，使其在各个结构之间平衡；（2）用热膨胀系数更好的材料；（3）用更好的玻璃（1）重新优化设计打开评价函数编辑表(F6)，Default MF RMS,wavefront,centroid，不用边界控制，得到两个结构的MF，值为0.314。在C

53、ONF 1中的DMFS前插入EFFL，Target 100,weight 1，然后在MCE中定义config 1的3个CRVT为变量优化，MF下降到0.19，OPD在1个波长，说明温度的变化已经得到了一些平衡。（2）选用膨胀系数小的材料将面3的TCE设为变量，优化，MF下降到0.059，结构1与结构2的OPD几乎相同，在半个波长内。此时TCE变为3.5610-6：因此镜筒用硅(3.5010-6)或复合材料能得到更好的设计。（3）使用热膨胀系数相近的玻璃用热膨胀系数相近的玻璃也可改善热影响。先将面3的TCE改回23.5，并设其为不变。在评价函数中加入两个GTCE，分别对应一种玻璃，用DIFF控制

54、其差值，然后再在MCE的结构1中将玻璃设为“Substitute”，使用全局优化或锤形工具(Hammer)寻找玻璃。扫描镜（坐标断点及多重结构的运用）：先建立一个透镜系统，玻璃BK7，入瞳20，视场0度，波长0.55，厚10，工作数F/6(在面2的半径中用F number确定)，后焦距(面2到像面的距离)用Marginal Ray Height确定，如图所示：第一面前插入2面，并将第一面设为光阑面（STO），设置面1的厚度为50，面2的厚度为20（扫描机构到透镜的距离），此时的透镜数据表如图：选Tools Fold Mirrors Add Fold Mirror，将Fold Surface设为

55、 2，Reflect Angle设为-90，Tilt type设为X tilt 点击OK之后透镜编辑表、3D图形如下：双击面2，选中Make Surface Global Coordinate Reference，可将图形的参考坐标系改变。在第3面前插入1面，将其面型(Surf:Type)设为Coordinate Break，Tilt about X：5 在第5面前插入1面，将其面型(Surf:Type)设为Coordinate Break，Tilt about X：双击，选Pick up、3、-1、0 将面3和面5设为坐标断点的目的是实现光线的小角度偏转(即扫描功能)设置多重组态，Edito

56、rs Multi-Configuration。假设扫描范围为 -1010，我们设置5个组态：-10、-5、0、5、10，首先在MCE编辑器中插入5个组态，Edit Insert Config。将Active设为PAR3，Surface：3 PAR3表示第三个参数，在面数据表中，此参数为Tilt about X的值 同时将Config 15分别设为-10、-5、0、5、10，结果为：优化，对各种结构的点列图综合评估 打开评价函数编辑器(F6)，选择Tools Default Merit Function 设置如下：RMS、Spot Radius、Centroid，Ring:6，Air：0.5、1

57、50、0.5。设置变量，将第7面的半径、第8面的厚度设为变量。然后优化。将多重结构同时显示的方法：在结构草图(Layout)中选Setting，然后将Configuration设置为All九.红外系统的设计 大气窗口：35um和8 12um 探测器类型：热释电非致冷焦平面阵列、微测辐射热计焦平面阵列 像质评价：（1）不能仅以分辨率为评价标准（2）需考虑探测器的灵敏度、信噪比（3）要考虑目标与背景的温差（4）有时只讲究探测的效果，能反映有或无即可 红外材料：（1）氧化材料(可见光 6um)：ZnO、MgO、蓝宝石、结晶石英；（2）硫系玻璃(可见光几十微米)：ZnS、CdS、PbS；（3）重金属氟

58、化物(可见光几十微米)：CaF2、BaF2、MgF2、LiF；（4）半导体单晶：Si、Ge ZEMAX中的红外玻璃库：INFRARED.AGF 常用红外材料：（1）0.4 1.1um，普通无色光学玻璃，要注意其通光率；（2）3 5um，氟化物玻璃、熔融石英；（3）8 12um，Ge、ZnS、ZnSe 设计基本方法：（1）选择探测器(阵列数、像元大小)（2）根据作用距离与探测器参数，满足有效探测情况下，计算焦距、视场（3）根据探测器最小温度分辨率，决定探测器相对孔径（4）根据焦距、相对孔径、视场选结构形式（5）决定设计波长及是否给出变化的权重原则：波长响应愈强、目标辐射出射度愈强、权重愈大（6）

59、优化（7）分析制造公差及无热设计红外镜头的主要类型：1.折射系统：物镜片数不多，太多造成透过率严重减少（1）单透镜：像质不高，用于小视场（2）双分离物镜：红外系统中通常有用双胶合形式（3）三四片：大视场，小F数2.反射系统：波长范围宽，但中心有遮挡，能量损失严重设计举例要求：作用距离2KM，目标为船只，探测器像素384X288，像元35um，温度分辨率20mk，光谱响应8 12um超过90%。设计符合以上要求的红外物镜设计过程：将设计要求转化成光学镜头的特性参数：（1）船只假设大小5mX15m，取其对角线作为物高h=8.6m（2）实际使用时，希望目标在探测器上能成7 10个像素，这样便于分辨根

60、据物像相似原则：L=2000mf=L*h/h=2000*0.035*9/8.6=75mm（3）相对孔径D/f，此处取F/1.0（4）根据探测器尺寸：13.44*10.08mm可以确定视场角 结构分析（1）一般摄影、照相结构采用光阑在中间的对称形式，要实现F/1.0，系统的片数将会很多，不适用于红外系统（2）红外系统的视场角有10.27.7(arctan(2y/f)，可用三片式加非球面的结构（3）由于相对孔径大，跟孔径相关的高级像差严重，因此常采用正负光组组合的结构。正组在前，口径大；负组在后口径小；但负组会放大正组球差，因此在负组后用无光焦度的透镜消除剩余像差。（4）正组口径大，承担光焦度大些

61、，所以前组用非球面，以减小其像差。孔径光阑置于前组，并与非球面不在个面上。（5）一般透镜均属于薄透镜，两面都使用非球面效果不明显，因此只用一个非球面。初始结构：（1）初始结构按正组、负组、无焦系统凑成（2）波长及权重：主波长：10um，按1.0、0.85、0.707、0.5、0.3、0设置视场。设置入瞳直径保证F/1.0，并保证边缘厚度1mm。各种设置结果如下：优化函数及变量的设置以EFFL控制焦距，以TOTR控制总长，以TTHI控制面间距，以MNCA控制最小空气间隙，以MXCA控制最大空气间隙。设置如下：将半径、空气间隙及非球面的4、6阶系数设为变量 优化。结束后查看MTF曲线。该探测器的特

62、征频率为1/(2*0.035)=14 lp/mm十十.样板测试、公差分析样板测试、公差分析设计一个光学系统，仅仅满足所有的性能指标还不算完成了设计，设计者还要考虑如何使成本最低，还要考虑所有影响光学系统质量的因素。前者要求设计者尽量使用已有的系统和元件，或者设计的元件其曲率是工厂现有能力能够加工的(样板测试)；后者要求设计者进行公差分析。本节以一个例子来说明。设计一个定焦数码镜头，技术指标如下：1.镜头用13片的玻璃或塑料制作2.图像传感器(CCD)指标像素：640X480，像元：7.4umX7.4um，成像面积：3.55X4.74mm2(对角线长6mm)3.物镜定焦，焦距6.0mm，畸变 9

63、0%(中心)85%(边缘)51 lp/mm 30%(中心)25%(边缘)渐晕：中心相对照度 60%分析：EFL=6mm，像高y=3mm，因此无限远入射光线的半视场角为Semi-FOV=arctan(y/f)=arctan(0.5)=26.5CCD的特征频率为1/(2*0.0074)=67.6 lp/mm设计时从已有专利中选取初始结构(选时f数取小点而场角取大点)，另命名为MyDigital_1.zmx，其FOV=26.5，F/#=3.5，EFL=0.95将其焦距缩放到要求的6mm：Tools Miscellaneous Make Focal，填入希望的焦距6。对初始结构进行分析：1.一般要求(

64、F/#、EFL、像高等)：Reports System Data2.畸变：Analysis Miscellaneous Field Curv/Dist3.锐度：Analysis MTF FFT MTF4.渐晕/照度：Analysis Illumination Relative Illumination初步分析该透镜似乎已经很好了，但是观察一下各个透镜的大小及厚度，这些透镜的厚度相对于它们的大小太小了，另外，所有的玻璃都是以模型给出的，还要将其替换为实际玻璃。下面就对其进行优化设计。将各个透镜的半径及厚度设为变量，玻璃设为替代(此时右边有S标计)边界条件控制：Glass：0.9、1.6、0.8

65、Air：0.1、10、0.025 GCOS：0 GCOS Optimization Hammer Opti注意：使用锤形工具优化时要选择Hammer，如果选项Auto DLS就只是用最小二乘法优法，玻璃不能被替换。结果MyDigital_1_3.zmx对结果进行分析：F/#=3.5，实际像高：2.93，近轴像高2.99，EFL=5.99998这些都符合要求畸变 Test Plates Test Plate Fitting，其对话框如下：File Name：用于选择不同的样板列表。通常一个文件就是一个厂家提供的半径样板Method of Fit：套样板的方法。(1)Try all Method:

66、偿试下述所有的方法，使用可以产生最小评价函数的方法(2)Best to Worst：首先用最接近的曲率半径套样板，最常用的方法(3)Worst to Best：首先用最不接近的曲率半径套样板(4)Long to Short：首先用最大的曲率半径套样板(5)Short to Long：首先用最小的曲率半径套样板在套样板过程中，如果与某一半径最匹配的样板半径被替代进来作为实际曲率半径，则该半径的可变性被去掉，镜头将再次被优化，优化使用的是当前的评价函数。3.我们选用 LIEBMANN.TPD文件作为样板文件，方法用Try All Method，这样可以看出不同方法之间的差异，同时也可找出最适宜的方法。4.套样板后将产生一个文本，里面记录了套样板的顺序、样板ID、新旧半径值、套样板后的MF值及其改变量。通常MF值改变越小、最终MF值越小结果越好。5.套样板后要检查各项指标有无异常，有些半径可能厂家没有相应的样板，这时要么自已设定样板，要么重新设计。6.半径固定之后，就需要固定玻璃厚度和空气间隙，原则上是先固定玻璃厚度然后再固定空气间隙，先固定变化最小的厚度。并且每固定一个厚度都要重新优化，M